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绪论



一、 化学工艺学的研究范畴


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二、化学工业的发展历史及其在人类社会中的作用 三、现代化学工业的特点和发展方向 四、化学工业的主要产品

主要内容:了解和掌握等化学工艺学的研究范畴、分类、主要化工产品、 历史及其作用,了解现代化学工业的特点和发展方向。 授课方式:重点采用课堂讲

授,利用启发式、提问式与讲解式相结合的方 法,并将理论与实际化工厂相结合进行讲解,同时选部分内容让学生自学。 重点和难点:化学工艺学的研究范畴、分类,化学工业的特点和发展方向。

一、 化学工艺学的研究范畴 化学工业(chemical industry)又称化学加工工业,泛指生产过程中化学方 法占主要地位的制造工业。 由原料到化学产品的转化要通过化学工艺来实现。化 学工艺(chemical technology) 即化工生产技术,系指将原料物质主要经过化学反应 转变为产品的方法和过程,包括实现这种转变的全部化学的和物理的惜施。 在早期,人类进行化工生产仅处千感性认识的水平,随着生产规模的发展。 各种经验的积累, 特别是许多化学定律的发现和各种科学原理的提出,使人们从 感性认识提升到理性认识的水平,利用这些定律和原理来研究和指导化工生产, 从而产生了化学工艺学这门学科。 化学工艺学是根据化学、 物理和其他科学的成就, 来研究综合利用各种原料 生产化工产品的方法原理、操作条件、流程和设备,以刨立技术上先进、经济上 合理、生产上安全的化工生产工艺的学科。 化学工艺具有个别生产的特殊性, 即生产不同的化学产品要采用不同的化学 工艺,即使生产相同产品但原料路线不同时,也要采用不同的化学工艺。尽管如 此,化学工艺学所涉及的范畴是相同的,一般包括原料的选择和预处理;生产方 法的选择及方法原理;设备(反应器和其他)的作用、结构和操作;催化剂的选

择和使用;其他物料的影响;操作条件的影响和选定;流程组织;生产控制;产 品规格和副产物的分离与利用; 能量的回收和利用;对不同工艺路线和流程的技 木经济评比等问题。 化学工艺学(chemical industry)与化学工程学(chehacal engineering)都是化 学工业的基础学科。前者主要研究化工生产工艺,范畴如前所述;后者主要研究 化学工业和其他过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程的共同规律, 它的 一个重要仟务就是研究有关工程因素对过程和装置的效应,特别是放大中的效 应。 化学工艺与化学工程相配合, 可以解决化工过程开发、 装置设计、 流程组织、 操作原理及方法等方面的问题; 此外,解决化工生产实际中的问题也需要这两门 学科的理论指导。 化学工业的发展促进了这两门学科不断发展和完善,它们反过 来能更加促进化学工业迅速发展和提高。 化学工业包括:无机化工(以无机物为原料生产化工产品)和有机化工(以 以有机物为原料生产化工产品) 。 有机化工又包括农副产品化工(以农副产品为原料生产化工产品) 、煤化工 (以煤为原料生产化工产品)和石油化工(以石油和天然气为原料生产化工产 品) 。 石油化工又分为: (1)基本有机化工:以石油和天然气为原料生产三烯(乙烯、丙烯、丁二 烯) 、三苯(苯、甲苯、二甲苯) 、乙炔、萘、合成气等基础原料的过程; (2)有机化工:以基础原料为原料生产醇、醛、酮、酸、酯、醚、酚、卤 代烃等基础原料的过程; (3)高分子化工:以前面物质为原料生产三大合成材料(合成纤维、合成 塑料、合成橡胶)医药、农药、染料、香料等最终产品的过程; (4)精细化工: (产品批量小、品种多、功能优良、附加产值高) ; (5)生物化工。

二、化学工业的发展历史及其在人类社会中的作用 化学工业是应人类生活和生产的需要而发展起来的,化工生产的发展也推 动了社会的发展。化学工业主要经历了煤化工、农副产品化工、石油化工三个阶

段(第一章介绍) 。 18 世纪以前,化工生产均为作坊式手工工艺,像早期的制陶、酿造、冶炼 等。 18 世纪初期建成了第一个典型的化工厂,即以含硫矿石和硝石为原料的铅 室法硫酸厂。自 20 世纪初期以来,石油和天然气得到大量开采和利用,向人类 提供了各种燃料和丰富的化工原料。1920 年,美国新泽西标准石油公司采用了 C.埃利斯发明的丙烯(来自炼厂气)水合制异丙醇工艺进行生产,标志了石油 化工的兴起。 在 20 世纪 40 年代, 管式炉裂解烃类工艺和临氢重整工艺开发成功, 使有机化工基本原料如乙烯等低碳烯烃和苯等芳烃有了车富、 廉价的来源。 因而, 石油化工突飞猛进地发展起来,很快便取代了煤在有机化工中的统治地位。 近年来,世界各国都高度重视发展高新枝术,新材料的开发与生产成为推 动科技进步、 培植经济新增长点的一个重要基础。 重点发展的是复合结构材料 (例 如航天、汽车、电子、能源等领域所需的高性能碳纤维复合材料,陶瓷复合材料 和金属基树脂复合材料) 、信息材料(例如磁盘、磁带的基膜和磁性介质,光盘, 光导纤维及其涂膜材料,硅系高分子功能材料等) 、纳米材料(由粒度 l~100nm 的颗粒构成的固态聚集体,具有优于普通材料对光、电、磁的反应和机械、催化 性能,例如纳米碳管的强度比钢铁高 5 倍)以及高温超导材料等,以上这些材料 的设计和制备技术有许多必烦运用化工技术和工艺。 不断创新的化工技术在新材 料的制造中发挥了关键作用。 化学工程与生物枝术相结合,引起了世界各国的广泛重视,已经或正在形成 具有宽广发展前景的生物化工产业,给化学工业增添了新的活力。 化学工业为工农业、现代交通运输业、国防军事、尖端科技等领域提供了各 类基础材料和新结构、新功能材料、能源(包括一般动力燃料、航空航天高能燃 料和燃料电池等) 和丰富的必需化学品,保证并促进了这些部门的发展和技木进 步。化学工业与人类生活更是息息相关,在现代人类生活中,从衣、食、住、行、 战胜疾病等物质生活到文化艺术、 娱乐消遣等精神生活都离不开化工产品为之服 务。 有些化工产品的开发生产和应用对工业革命、农业发展和人类生活水平起到 划时代的促进作用。 化学工业发展迅速,经济效益显著,是国民经济的支柱产业之一。在 20 世 纪 60~70 年代, 发达国家的化学工业发展迅猛,到 90 年代与其他工业一样放慢

了速度,但德、法、日本等国的化学工业增长速度仍高于整个工业的增长。近年 来中国化学工业发展速度大大超过了发达国家。我国化学工业发展潜力是巨大 的,重点是发展新技术、开发新产品、增加高附加产值产品的品种和产量,赶超 世界先进水平。 三大合成材料: (1)合成纤维:可代替天然纤维,具有轻、耐用、经洗、易干、不怕酸碱、 不怕虫蛀等特点; (2)合成塑料:具有轻、易加工、自润滑、无噪音等特点,可代替钢材、 木材、有色金属等; (3)合成塑料:生产 1000 吨天然橡胶需要在热带或亚热带地区种植 300 万 棵橡胶树,占地 3 万母,需要 5-6 千人管理;而一个年产 1000 吨的合成橡胶厂 占地十几母,需要几十人管理即可。 一辆解放牌汽车用橡胶 200 多公斤; 一架喷气式飞机用橡胶 600 多公斤; 一艘三万五千吨的军舰用橡胶 60 多吨。

三、现代化学工业的特点和发展方向 1 现代化学工业的特点 (l)原料、生产方法和产品的多样性与复杂性 用同一种原料可以制造多种不同的化工产品;同一种产品可采用不同原料、 或不同方法和工艺路线来生产; 一个产品可以有不同用途,而不同产品可能会有 相同用途。由于这些多样性,化学工业能够为人类提供越来越多的新物质、新材 料和新能源。 (2)向大型化、综合化发展,精细化率也在不断提高 装置规模增大,其单位容积单位时间的产出率随之显著增大,比能耗下降。 (3)多学科合作、生产技术密集 现代化学工业是高度自动化和机械化的生产部门,进一步朝着智能化发展。 当今化学工业的持续发展越来越多地依靠采用高新技术和迅速将科研成果转化 为生产力,如生物与化学工程、微电子与化学、材料与化工等不同学科的相互结

合,可创造出更多优良的新物质和新材料;计算机技术的高水平发展,已经使化 工生产实现了远程自动化控制,也将给化学品的合成提供强有力的智能化工具; 将组合化学、计算化学与计算机方法结合,可以准确地进行新分于、新材料的设 计与合成,节省大量实验时间和人力。因此化学工业需要高水平、有创造性和开 拓能力的多种学科不同专业的技术专家,以及受过良好教育及训练的、懂得生产 技术的操作和管理人员。 (4)重视能量合理利用,积极采用节能工艺和方法 化工生产是由原料物质主要经化学变化转化为产品物质的过程,同时伴随 有能量的传递和转换,必须消耗能量。化工生产部门是耗能大户,合理用能和节 能显得极为重要,许多生产过程先进性体现在采用了低能耗工艺或节能工艺。 (5)资金密集,投资回收速度快,利润高 现代化学工业的装备复杂,技术程度高,基建投资大,产品更新迅速,需 要大量的投资。然而化工产品产值较高,成本低,利润高,一旦工厂建成投产, 可很快收回投资并获利。化学工业的产值是国民经济总产值指标的重要组成部 分。 (6)易燃、易爆、有毒仍然是现代化工企业首要解决的问题 要采用安全的生产工艺,要有可靠的安全技术保障、严格的规章制度及其 监督机构。 创建清洁生产环境, 大力发展绿色化工, 采用无毒无害的方法和过程, 生产环境友好的产品,这是化学工业赖以持续发展的关键之一。 2 化学工业发展的方向 随着人类生活和生产的不断发展,也带来了市场竞争激烈、自然资源和能 源减少、环境污染加剧等问题,化学工业同样面临着这些问题的挑战,要走可持 续发展的道路,必须做好以下几方面工作。 ①面向市场竞争激烈的形势,积极开发高新技术,缩短新技术、新工艺工 业化的周期,加快产品更新和升级的速度。 ②最充分、最彻底地利用原料。除了发展大型的综合性生产企业,使原料、 产品和副产品得到综合利用外, 提倡设计和开发原子经济性反应。 原子经济性概 念是由美国化学家 B.M.Trost 在 1991 年首先提出的,在反应中应该使原料中 每一个原子都结合到目标分子即所需产物中,不需要用保护基团或离去基团,因

而不会有副产物或废物生成。 原子经济性反应可以最大限度地利用原料,最大限 度地减少废物的排放。 ③大力发展绿色化工。包括采用无毒、无害的原料、溶剂和催化剂;应用 反应选择性高的工艺和催化剂; 将副产物或废物转化为有用的物质;采用原子经 济性反应,提高原料中原子的利用率,实现零排放;淘汰污染环境和破坏生态平 衡的产品,开发和生产环境友好产品等。 ④化工过程要高效、节能和智能化。 ⑤实施废弃物再生利用工程。 欲将以上几方面付诸实现,需要所有化学家和化学工程师的艰苦努力,也 需要多学科、 多部门的精诚合作, 更需依赖于科学的不断进步和高新技术的发展。

四、化学工业的主要产品 化学工业的部门极其广泛,相互关系密切,产品种类繁多。按学科类型分, 化学工业包括无机化工,基本有机化工、高分子化工、精细化工和生物化工等分 支。 1 无机化工主要产品 大宗的无机化工产品有硫酸、硝酸、盐酸、纯碱、烧碱、合成氨和氮、磷、 钾等化学肥料。 2 基本有机化工主要产品 从石油、天然气、煤等天然资源出发,经过化学加工得到乙烯、丙烯、丁二 烯、苯、甲苯、二甲苯、乙炔、萘、合成气等产品。


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